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Processos Eletrônicos e Mgnéticos

Os campos eletromagnéticos podem interagir com partículas carregadas em materiais, produzindo, entre outros, os seguintes fenômenos: condutividade, polarização dielétrica e características magnéticas. Esses fenômenos, que são controláveis, são de grande utilidade na engenharia, pois

possibilitam projetar-se circuitos elétricos para suprimentos de força, comunicações e equipamentos de controle. - A ação dos campos elétricos e magnéticos nos materiais

As partículas carregadas nos materiais, os íon e elétrons, normalmente apresentam movimentos vibratórios, de caráter ondulatório. Os campos elétricos e magnéticos superpõem forças direcionais de atração a esses movimentos, orientando-os, de forma a não ficarem mais ao acaso. A extensão, na qual o comportamento elétrico, magnético e a condutividade dos materiais, podem ser variados, é afetada, principalmente pelas seguintes características físico-químicas: - as energias dos elétrons na camada de valência - o “spin” dos elétrons nos átomos - a estrutura do material, cristalina ou amorfa. - Aplicações dos materiais de grau eletrônico

O conhecimento dessas relações permite a previsão das propriedades elétricas e magnéticas de um material, o que facilita muito no projeto e seleção do material adequado para aplicações desta natureza. Na aplicação de semicondutores para equipamentos, por exemplo, tais como transistores e baterias solares, tiveram origem na previsão teórica do comportamento dos elétrons nos chamados materiais de grau eletrônico. - Condutividade Elétrica Podemos entender a condutividade elétrica, como o movimento de cargas elétricas, de uma posição para outra. Na prática, normalmente utiliza-se também a resistividade elétrica, que pode

ser entendida como o recíproco (ou inverso) da condutividade elétrica. Como a carga elétrica tem que ser carregada por íons ou elétrons, os chamados “portadores de carga”, cuja mobilidade varia para os diferentes materiais, existe uma gama (“espectro”) de condutividades, ou de resistividades, desde os metais altamente condutores, até os isolantes quase perfeitos, como se encontra esquematizado no quadro da figura abaixo, em função das resistividades correspondentes:

Fig. 1- Faixa de variação (“espectro”) da condutividade elétrica

a) Tipos de condutividade elétrica

A condutividade elétrica pode ser classificada, ou dividida em dois tipos fundamentais: Condutividade Iônica e Condutividade Eletrônica. Na condutividade iônica, os portadores de

carga podem ter tanto cátions como ânions, enquanto que na condutividade eletrônica, os portadores são elétrons ou “buracos” eletrônicos.

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A carga por elétron é 1,6 x 10-19 Coulomb (ou ampères-segundos). Como os íons contêm ou uma

deficiência ou um excesso de elétrons, a carga por íon é sempre um múltiplo inteiro de 1,6 x 10-19 Coulomb. b) Equação da condutividade elétrica A condutividade pode ser expressa como um produto dos seguintes fatores:

número de transportadores de carga no material, por unidade de volume,

carga elétrica carregada por cada um desses transportadores,

mobilidade dos transportadores, ( a mobilidade de um transportador é a sua velocidade

efetiva por unidade de gradiente de potencial) A equação resultante é dada por

= (1)

onde as unidades correspondentes são

(2)

Como coulombs são iguais a ampères vezes segundos e volts são iguais a ampères vezes ohms, o balanço de unidades é verificado na equação acima.

- Condutividade Iônica

Os átomos e íons podem se mover de um ponto para outro de uma rede cristalina, como esquematizado na figura abaixo:

Fig. 2 - Movimentos atômicos: (a) Mecanismo de vazios. (b) Mecanismo intersticial. Necessita-se de energia,

tanto para aumentar quanto para diminuir a distância interatômica. A probabilidade de ocorrer esse movimento é baixa, a menos que a temperatura seja alta. Em temperaturas elevadas, uma pequena fração dos átomos pode possuir energia suficiente para superar a barreira de energia correspondente. Os íons têm maiores oportunidades de superar essa barreira, se submetidos a um campo elétrico. Essa maior probabilidade resulta do fato de que o íon é acelerado, e recebe mais energia, se estiver vibrando (ou se movimentando) em uma direção (e sentido) favorável ao campo elétrico. Por outro lado, é desacelerado se a sua vibração (ou movimento) estiver em uma direção (ou sentido) desfavorável, de forma que a probabilidade de um salto do íon na direção reversa (ou sentido contrário) é pequena. O resultado é um movimento efetivo dos íons numa dada direção e num certo sentido, do que resulta a condutividade iônica.

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a) Condutividade Iônica em materiais sólidos e em líquidos

As condutividades iônicas nos sólidos são naturalmente baixas, pois existe apenas uma pequena probabilidade que a energia disponível para os íons seja suficiente para os saltos. No caso dos materiais líquidos, a condutividade iônica é mais elevada, por razões que são auto- explicativas, já que a localização dos átomos vizinhos não é tão rígida nos líquidos como nos sólidos e, consequentemente, é necessária uma energia menor para os movimentos iônicos. Quer nos sólidos, quer nos líquidos, a condutividade é um balanço estatístico dos movimentos nas várias direções, como ilustra a figura abaixo:

Fig.3- Movimento de íons positivos: (a) Na ausência de um campo elétrico externo, os movimentos dos íons são ao acaso; (b) A presença de um campo elétrico externo resulta em um movimento efetivo dos íons positivos, na direção (e sentido) do eletrodo negativo.

b) Influência da Temperatura na Condutividade Iônica

A condutividade iônica aumenta em temperatura mais elevadas, pois a mobilidade dos íons é aumentada, devido ao aumento das velocidades de difusão. Como é de se esperar, há uma

relação entre a mobilidade iônica, , e o coeficiente de difusão, D, conforme a equação abaixo:

(3)

onde é a carga elétrica, é a constante de Boltzmann e é a temperatura absoluta. As unidades correspondentes são:

(4)

Para um balanço final de unidades é necessário lembrar que 1 erg = 10-7 J (10-7 volt.amp.s). - Condutividade Eletrônica a) Semelhanças com a condutividade iônica

Podemos fazer certas comparações entre a condutividade eletrônica e a iônica: - em ambos os casos, uma carga (unitária ou múltipla) de 1,6 x 10-19 coulomb está envolvida; - essa carga é acelerada ao se mover em uma direção no campo elétrico e desacelerada na direção inversa. - tanto o íon como o elétron têm uma mobilidade, a qual foi definida como a velocidade efetiva (cm/s) que provém de um gradiente específico de potencial (volt/cm).

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b) Condutividade Eletrônica em Materiais Metálicos

A figura abaixo esquematiza os possíveis movimentos dos elétrons de valência entre átomos metálicos de uma estrutura cristalina:

Fig. 4- Movimento dos elétrons nos metais. (a) Quando não há campo elétrico externo, o movimento dos elétrons em um metal se dá ao acaso. (b) Dentro de um campo elétrico externo, os elétrons são acelerados quando se movem na direção do pólo positivo, e desacelerados quando se movem na direção do pólo negativo. O movimento efetivo dos elétrons é na direção do pólo positivo.

Como os elétrons de valência nos metais não estão ligados a nenhum átomo específico, a energia desses elétrons permite que os mesmos se movam entre os átomos, em todas as direções da estrutura cristalina, com a mesma velocidade (Fig. 4-(a)). Entretanto, se um campo elétrico é aplicado ao material, os elétrons que se movem na direção (e sentido) do pólo positivo recebem energia e são acelerados (Fig. 4-(b)). Os elétrons que se movem nesta direção (e sentido) encontrarão, mais cedo ou mais tarde, os campos elétricos locais em torno dos átomos e serão, por isso, desviados ou refletidos. Qualquer movimento na direção (e sentido) do eletrodo negativo consome energia e, portanto, a velocidade nesta direção é diminuída. O efeito total é um movimento eletrônico na direção do pólo positivo, como mostrado no esquema da próxima figura:

Fig. 5- Corrente elétrica em condutores metálicos: Como um campo elétrico acelera o movimento dos elétrons e íons em uma dada direção, e desacelera na direção oposta, um movimento efetivo de elétrons é obtido. Por convenção, o sentido da corrente é considerado como o oposto daquele dos elétrons.

- Percurso Livre Médio Em virtude da sua pequena massa por unidade de carga, um elétron apresenta mudanças significativas e rápidas na velocidade, ao responder ao campo elétrico aplicado. O fator limitante da mobilidade eletrônica é o número de desvios ou reflexões que ocorre, o que determina o seu Percurso Livre Médio. Entre duas mudanças de direção sucessivas, os percursos livres médios

maiores permitem acelerações e desacelerações também maiores e, portanto, a velocidade efetiva e a mobilidade eletrônica aumentam. Certos fatores físico-químicos, tais como agitação térmica, impurezas e deformação plástica, reduzem a condutividade de um metal, pois essas imperfeições indicam que há irregularidades nos campos elétricos do interior de um metal. As irregularidades reduzem, desta forma, o percurso livre médio dos elétrons, a mobilidade eletrônica e, consequentemente, a condutividade do metal.